KR20230140500A - Copper-ceramic joint, brazing material, and method for manufacturing copper-ceramic joint - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는, 구리 세라믹스 접합체, 납재 및 구리 세라믹스 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a copper ceramic bonded body, a brazing material, and a method of manufacturing a copper ceramic bonded body.
전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재되는 전력 제어 장치의 구성 재료로서, 구리재와 세라믹스재를 접합시켜 이루어지는 접합체(이하, 구리 세라믹스 접합체라고도 함)가 사용되는 경우가 있다. 구리재와 세라믹스재의 접합에는, 은(Ag)을 포함하는 활성 금속 납재를 사용하는 기술이 알려져 있지만, 근년, Ag 마이그레이션이나 고비용과 같은 과제의 해소를 위해, Ag 비함유의 활성 금속 납재를 사용하여 접합하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).As a constituent material of a power control device mounted on an electric vehicle or a hybrid vehicle, a bonded body formed by bonding a copper material and a ceramic material (hereinafter also referred to as a copper-ceramic bonded body) is sometimes used. For joining copper materials and ceramic materials, the technology of using an active metal brazing material containing silver (Ag) is known, but in recent years, in order to solve problems such as Ag migration and high cost, the use of an active metal brazing material that does not contain Ag has been used. A joining technology has been proposed (for example, see Patent Document 1).
본 개시의 목적은, 구리 세라믹스 접합체에 있어서의 접합 강도를 높이는 것에 있다.The purpose of the present disclosure is to increase the bonding strength in a copper ceramic bonded body.
본 개시의 일 양태에 의하면,According to one aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와,A copper material made of Cu or Cu alloy,
상기 구리재에 접합되며, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재와,A ceramic material bonded to the copper material and made of Si or Al nitride,
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 접합면에 형성되며, Cu와 Mg를 포함하고, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 더 포함하는 접합층을 갖고,It is formed on the joint surface of the copper material and the ceramic material, and includes Cu and Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, It has a bonding layer further containing at least one active metal element selected from the group consisting of Nd, Gd, and Er,
상기 접합층의 전단 강도가 10㎫ 이상인 The shear strength of the bonding layer is 10 MPa or more.
구리 세라믹스 접합체가 제공된다.A copper ceramic joint is provided.
본 개시의 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재의 접합에 사용되고,It is used for joining a copper material made of Cu or Cu alloy and a ceramic material made of nitride of Si or Al,
Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 Cu at 65 to 95 at%, Mg at 4.5 to 33 at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er. Containing at least one active metal element selected from the group consisting of a total ratio of 0.1 to 7 at%
납재가 제공된다.Lead material is provided.
본 개시의 또 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재를 납재를 개재하여 적층시키도록 배치하는 공정과,A process of arranging a copper material made of Cu or a Cu alloy and a ceramic material made of a nitride of Si or Al to be laminated with a brazing material interposed therebetween;
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 적층체를, 적층 방향으로 가압하면서, 가열하여 유지하는 공정을 갖고,A step of heating and holding the laminate of the copper material and the ceramic material while pressing in the stacking direction,
상기 납재로서, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 재료를 사용하는 As the brazing material, 65 to 95 at% Cu, 4.5 to 33 at% Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Using a material containing at least one active metal element selected from the group consisting of Gd and Er in a total ratio of 0.1 to 7 at%
구리 세라믹스 접합체의 제조 방법이 제공된다.A method for manufacturing a copper ceramic joint is provided.
본 개시에 의하면, 구리 세라믹스 접합체에 있어서의 접합 강도를 높이는 것이 가능해진다.According to the present disclosure, it becomes possible to increase the bonding strength in a copper ceramic bonded body.
도 1은 본 개시의 일 양태에 있어서의 구리 세라믹스 접합체(100)의 부분 단면 확대도이다.
도 2의 (a)는 도 1의 주요부 A를 촬영한 부분 단면 확대 사진이고, (b)는 도 1의 주요부 B를 촬영한 부분 단면 확대 사진이다.
도 3은 도 1의 주요부 C를 촬영한 부분 단면 확대 사진이다.
도 4의 (a)는 접합층(30)에 가해지는 전단 응력을 모식적으로 도시하는 도면이고, (b)는 접합층(30)에 가해지는 인장 응력을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 5의 (a)는 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 납재(50)를 통해 배치한 모습을, (b)는 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 적층체를 가압하면서 가열하는 모습을, (c)는 제조된 구리 세라믹스 접합체(100)를 각각 도시하는 도면이다.
도 6은 전단 강도 시험을 실시할 때의 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 사이즈가 큰 보이드(33L)가 발생한 접합층의 부분 단면 확대 사진이다.1 is an enlarged partial cross-sectional view of a copper ceramic bonded body 100 according to one aspect of the present disclosure.
FIG. 2 (a) is an enlarged partial cross-sectional photograph of the main part A of FIG. 1, and (b) is an enlarged partial cross-sectional photograph of the main part B of FIG. 1.
Figure 3 is an enlarged partial cross-sectional photograph of main part C of Figure 1.
FIG. 4 (a) is a diagram schematically showing the shear stress applied to the bonding layer 30, and (b) is a diagram schematically showing the tensile stress applied to the bonding layer 30.
Figure 5 (a) shows the copper material 10 and the ceramic material 20 arranged through the brazing material 50, and (b) shows the laminate of the copper material 10 and the ceramic material 20 being pressed. (c) is a diagram showing the manufactured copper ceramic bonded body 100 while heating.
Figure 6 is a diagram schematically showing how a shear strength test is performed.
Figure 7 is an enlarged photograph of a partial cross-section of the bonding layer in which a large void 33L has occurred.
<본 개시의 일 양태><One aspect of the present disclosure>
이하, 본 개시의 일 양태에 대하여, 상술한 도면군을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 사용되는 도면은, 모두 모식적인 것이다. 도면에 도시되는 각 요소의 치수나 비율은 현실과 반드시 일치하지는 않는다. 또한, 도면간에 있어서도, 각 요소의 치수나 비율은 반드시 일치하지는 않는다.Hereinafter, one aspect of the present disclosure will be described with reference to the above-described group of drawings. In addition, all drawings used in the following description are schematic. The dimensions or proportions of each element shown in the drawing do not necessarily match reality. Additionally, even between drawings, the dimensions and ratios of each element do not necessarily match.
(1) 구리 세라믹스 접합체의 구성(1) Composition of copper ceramic bonded body
도 1에 도시한 바와 같이, 구리 세라믹스 접합체(100)는, 구리재(10)와, 구리재(10)에 접합된 세라믹스재(20)를 구비하고 있다.As shown in FIG. 1, the copper ceramic joined body 100 includes a copper material 10 and a ceramic material 20 joined to the copper material 10.
구리재(10)는, 순구리(이하, Cu라고도 함), 또는, 구리 합금(이하, Cu 합금이라고도 함)에 의해 구성되어 있다. 순구리로서는, 예를 들어 무산소 구리, 터프 피치 구리, 인 탈산 구리를 사용할 수 있다. 구리 합금으로서는, 구리(Cu)를 주 원소로 하고, 예를 들어 아연(Zn), 주석(Sn), 인(P), 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 첨가한 합금을 사용할 수 있다. 구리재(10)의 형상이나 치수에 대해서는, 특별히 한정은 없지만, 구리 세라믹스 접합체(100)를 절연 회로 기판의 구성 재료로서 사용하는 경우에는, 예를 들어 0.1㎜ 이상 4.0㎜ 이하의 범위 내의 두께를 갖는 평판으로 할 수 있다.The copper material 10 is made of pure copper (hereinafter also referred to as Cu) or copper alloy (hereinafter also referred to as Cu alloy). As pure copper, oxygen-free copper, tough pitch copper, and phosphorus deoxidized copper can be used, for example. Copper alloys include copper (Cu) as the main element, and include, for example, zinc (Zn), tin (Sn), phosphorus (P), aluminum (Al), beryllium (Be), cobalt (Co), and nickel (Ni). ), iron (Fe), and manganese (Mn). An alloy to which at least one element selected from the group is added can be used. There is no particular limitation on the shape or size of the copper material 10, but when the copper ceramic bonded body 100 is used as a constituent material of an insulating circuit board, the thickness is within the range of 0.1 mm to 4.0 mm, for example. You can do it with the reputation you have.
세라믹스재(20)는, 실리콘(Si) 또는 알루미늄(Al)의 질화물, 즉, 조성식 Si3N4로 표시되는 질화규소, 또는, 조성식 AlN으로 표시되는 질화알루미늄으로 이루어지는 소결체에 의해 구성되어 있다. 세라믹스재(20)의 형상이나 치수에 대해서도, 특별히 한정은 없지만, 구리 세라믹스 접합체(100)를 절연 회로 기판의 구성 재료로서 사용하는 경우에는, 예를 들어 0.2㎜ 이상 4.0㎜ 이하의 범위 내의 두께를 갖는 평판으로 할 수 있다. 이하, 일례로서, 세라믹스재(20)가 질화규소로 이루어지는 경우에 대하여 설명한다.The ceramic material 20 is made of a sintered body made of nitride of silicon (Si) or aluminum (Al), that is, silicon nitride represented by the composition formula Si 3 N 4 or aluminum nitride represented by the composition formula AlN. There is no particular limitation on the shape or size of the ceramic material 20, but when the copper ceramic bonded body 100 is used as a constituent material of an insulating circuit board, the thickness is within the range of 0.2 mm to 4.0 mm, for example. You can do it with the reputation you have. Hereinafter, as an example, a case where the ceramic material 20 is made of silicon nitride will be described.
구리재(10)와 세라믹스재(20) 사이에는, 이들 접합면(10s, 20s)을 따라서, 접합층(30)이 형성되어 있다. 접합층(30)은, 구리(Cu)와, 마그네슘(Mg)을 포함하고, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 칼슘(Ca), 이트륨(Y), 세륨(Ce), 란탄(La), 사마륨(Sm), 이테르븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 가돌리늄(Gd), 에르븀(Er) 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 더 포함하고 있다. 이하, 일례로서, 활성 금속 원소가 Ti인 경우에 대하여 설명한다.Between the copper material 10 and the ceramic material 20, a bonding layer 30 is formed along these bonding surfaces 10s and 20s. The bonding layer 30 contains copper (Cu), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta). , chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), calcium (Ca), yttrium (Y), cerium (Ce), lanthanum (La), samarium (Sm), ytterbium (Yb), neodymium (Nd). , gadolinium (Gd), erbium (Er), and the like. Hereinafter, as an example, a case where the active metal element is Ti will be described.
또한, 후술하는 바와 같이, 접합층(30)은, Cu, Mg 및 상술한 활성 금속 원소를 각각 소정의 비율로 포함하는 납재(50)(도 5 참조)가, 구리재(10) 및 세라믹스재(20)의 각각과 반응함으로써 형성되어 있다. 본 양태에서 사용하는 납재(50)는, Ag 비함유이며, 또한, Mg 및 상술한 활성 금속 원소를 포함할 뿐만 아니라, Cu를 후술하는 비율로 포함하고 있다. 또한 바람직하게는, 본 양태에서 사용하는 납재(50)는, Mg를, Cu와의 금속간 화합물의 양태로 포함하고 있다. 이와 같은 납재(50)를 사용하여 접합을 행함으로써, 본 양태에 있어서의 접합층(30)에는, 이하에 나타내는 다양한 특징이 나타나게 된다.In addition, as will be described later, the bonding layer 30 includes a brazing material 50 (see FIG. 5) each containing Cu, Mg, and the above-mentioned active metal elements in a predetermined ratio, and the copper material 10 and the ceramic material. It is formed by reacting with each of (20). The brazing material 50 used in this embodiment does not contain Ag, and not only contains Mg and the above-mentioned active metal elements, but also contains Cu in a ratio described later. Also preferably, the brazing material 50 used in this embodiment contains Mg in the form of an intermetallic compound with Cu. By performing bonding using such brazing material 50, various characteristics shown below appear in the bonding layer 30 in this embodiment.
이하, 접합층(30)이 갖는 다양한 특징에 대하여 설명한다.Hereinafter, various characteristics of the bonding layer 30 will be described.
(특징 1)(Feature 1)
도 1에 도시한 바와 같이, 접합층(30)은, 구리재(10)와의 계면을 구성하는 제1 층(31)과, 세라믹스재(20)와의 계면을 구성하는 제2 층(32)의 적층 구조를 갖고 있다. 제1 층(31)의 두께로서는 1 내지 2000㎛가, 제2 층(32)의 두께로서는 1 내지 2000㎚가, 각각 예시된다.As shown in FIG. 1, the bonding layer 30 is composed of the first layer 31 constituting the interface with the copper material 10 and the second layer 32 constituting the interface with the ceramic material 20. It has a layered structure. The thickness of the first layer 31 is 1 to 2000 μm, and the thickness of the second layer 32 is 1 to 2000 nm.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에, 제1 층(31)의 단면 확대 사진을 각각 예시한다. 이들 사진은, 제1 층(31) 및 그 주변을, 관찰 위치를 다르게 하여 촬영한 것이다. 이들 사진에 나타나는 바와 같이, 제1 층(31)은, 고용상(31A)과, 화합물상(31B)을 갖고 있다. 고용상(31A)과 화합물상(31B)은 해도상으로 상 분리되어 있다. 예를 들어, 연속층인 바다상의 고용상(31A)에, 화합물상(31B)이, 섬상으로 분산되어 있다.FIG. 2(a) and FIG. 2(b) respectively illustrate enlarged cross-sectional photographs of the first layer 31. These photos were taken of the first layer 31 and its surroundings from different observation positions. As shown in these photographs, the first layer 31 has a solid solution phase 31A and a compound phase 31B. The solid solution phase (31A) and the compound phase (31B) are phase-separated in a sea-island pattern. For example, the compound phase 31B is dispersed in the form of islands in the solid solution phase 31A of the sea phase, which is a continuous layer.
고용상(31A)은, Cu 결정에 Mg가 고용된 고용체를 주성분으로 하고 있다. 고용상(31A) 중에는, 또한, 납재(50)에 포함되어 있던 Ti 등의 활성 금속 원소나, 세라믹스재(20)에 포함되어 있던 Si나 Al 등이 고용되어 있는 경우도 있다.The solid solution phase 31A mainly contains a solid solution in which Mg is dissolved in Cu crystals. In the solid solution phase 31A, active metal elements such as Ti contained in the brazing material 50 or Si or Al contained in the ceramic material 20 may be dissolved in solid solution.
화합물상(31B)은, Cu와 Mg의 금속간 화합물, 즉, 조성식 MgCu2로 표시되는 화합물(이하, Cu-Mg 합금이라고도 함)을 주성분으로 하고 있다. 화합물상(31B)에는, 또한, 상술한 활성 금속 원소를 포함하는 금속간 화합물이 석출되어 있는 경우가 있다. 활성 금속 원소로서 Ti를 선택하는 경우, 활성 금속 원소를 포함하는 금속간 화합물로서는, 조성식 Cu4Ti, Cu3Ti2, Cu2Ti, Cu4Ti3, CuTi, CuTi2, Ti5Si3, Ti3Si, CuTiSi 등으로 표시되는 화합물군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물을 들 수 있다.The compound phase 31B has as its main component an intermetallic compound of Cu and Mg, that is, a compound represented by the composition formula MgCu 2 (hereinafter also referred to as Cu-Mg alloy). In the compound phase 31B, an intermetallic compound containing the above-mentioned active metal element may also precipitate. When Ti is selected as the active metal element, the intermetallic compound containing the active metal element has the composition formula Cu 4 Ti, Cu 3 Ti 2 , Cu 2 Ti, Cu 4 Ti 3 , CuTi, CuTi 2 , Ti 5 Si 3 , At least one compound selected from the group of compounds represented by Ti 3 Si, CuTiSi, etc. can be mentioned.
금속간 화합물을 주성분으로 하는 화합물상(31B)은, 고용체를 주성분으로 하는 고용상(31A)에 비해 취성인 특성을 갖고 있고, 제1 층(31) 중에 있어서의 출현의 양태에 따라서는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도를 현저하게 저하시키는 요인이 될 수 있다. 왜냐하면, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합에, Mg 및 상술한 활성 금속 원소를 각각 단체로 포함하고, Cu를 포함하지 않는 납재를 사용하는 경우, 금속간 화합물은, 제1 층(31) 중, 제2 층(32)에 인접하는 계면 근방 영역 D에 집중하여 출현하게 된다. 금속간 화합물이 계면 근방 영역 D에 집중하여 출현하면, 제1 층(31) 중에는 접합면을 따라서 취약한 층 구조가 구성되게 되고, 이에 의해, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도가 현저하게 저하되게 된다. 또한 이 경우, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 그 자체가 불가하게 되는 경우도 있다.The compound phase 31B, which has an intermetallic compound as its main component, has a brittle characteristic compared to the solid solution phase 31A, which has a solid solution as its main component, and depending on the mode of appearance in the first layer 31, copper This may be a factor that significantly reduces the bonding strength between the material 10 and the ceramic material 20. This is because, in the case of using a brazing material containing Mg and the above-mentioned active metal elements alone and not Cu, for joining the copper material 10 and the ceramic material 20, the intermetallic compound is formed in the first layer. (31), it appears concentrated in the region D near the interface adjacent to the second layer (32). When the intermetallic compound appears concentrated in the area D near the interface, a weak layer structure is formed along the joint surface in the first layer 31, thereby reducing the joint strength between the copper material 10 and the ceramic material 20. is significantly reduced. Also, in this case, the joining of the copper material 10 and the ceramic material 20 may become impossible.
이와 같은 과제에 대해, 본 양태에 있어서는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 시, Mg 및 활성 금속 원소를 포함할 뿐만 아니라, Cu를 후술하는 비율로 포함하는 납재(50)를 사용함으로써, 제1 층(31) 중에 있어서의 화합물상(31B)의 국소적인 출현, 예를 들어 제2 층(32)과의 계면 근방 영역 D에 있어서의 화합물상(31B)의 국소적인 출현을, 억제하는 것에 성공하였다.In response to this problem, in this embodiment, when joining the copper material 10 and the ceramic material 20, a brazing material 50 that not only contains Mg and an active metal element but also contains Cu in a ratio described later is used. By using it, local appearance of the compound phase (31B) in the first layer 31, for example, local appearance of the compound phase (31B) in the area D near the interface with the second layer 32 , succeeded in suppressing it.
구체적으로는, 본 양태에 있어서는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 제2 층(32)과의 계면에 인접하는 계면 근방 영역 D, 즉, 제1 층(31) 중 제2 층(32)과의 계면으로부터 구리재(10)측을 향하여 예를 들어 두께 10㎛의 범위 내의 소정의 영역에 있어서, 고용상(31A)의 합계 단면적 SA, 화합물상(31B)의 합계 단면적 SB가, SA/(SA+SB)>0.6, 바람직하게는 >0.7, 보다 바람직하게는 >0.8의 관계식을 충족하고 있다.Specifically, in this embodiment, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s of the copper material 10 and the ceramic material 20, the second layer 32 The interface vicinity area D adjacent to the interface, that is, a predetermined area within a thickness range of, for example, 10 μm, from the interface with the second layer 32 of the first layer 31 toward the copper material 10 side. In this case, the total cross-sectional area SA of the solid solution phase (31A) and the total cross-sectional area SB of the compound phase (31B) satisfy the relational formula of SA/(SA+SB)>0.6, preferably >0.7, more preferably >0.8. I'm doing it.
또한, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 본 양태에 있어서의 화합물상(31B)은, 제1 층(31)의 두께 방향의 대략 전역 및 폭 방향의 대략 전역에 있어서, 국소적으로 집중되지 않고, 대략 균일한 출현 빈도로 분산되어 있다. 따라서, 본 양태에 있어서는 계면 근방 영역 D뿐만 아니라, 계면 근방 영역 D를 제외한 제1 층(31) 내의 임의의 영역(예를 들어, 계면 근방 영역 D보다도 구리재(10)에 가까운 측의 임의의 영역) 중 어느 것에 있어서도, SA, SB가 상술한 관계를 충족하고 있다. 바꾸어 바꾸면, 본 양태에 있어서는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 그 두께 방향 전역에 걸친 평균값으로서 SA/(SA+SB)>0.6, 바람직하게는 >0.7, 보다 바람직하게는 >0.8을 충족할 뿐만 아니라, 제1 층(31) 내에 있어서의 예를 들어 두께 10㎛를 단위로 한 임의의 국소적 영역 중 어느 것에 있어서도, SA/(SA+SB)>0.6, 바람직하게는 >0.7, 보다 바람직하게는 >0.8을 충족하고 있다고 할 수 있다.In addition, as shown in Figure 2 (a) and Figure 2 (b), the compound phase 31B in this embodiment is approximately the entire thickness direction and approximately the width direction of the first layer 31. Throughout the entire region, they are not concentrated locally, but are distributed with a roughly uniform frequency of appearance. Therefore, in this embodiment, not only the area near the interface D, but also any area in the first layer 31 excluding the area near the interface D (for example, any area on the side closer to the copper material 10 than the area near the interface D). In any of the regions, SA and SB satisfy the above-mentioned relationship. In other words, in this embodiment, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s of the copper material 10 and the ceramic material 20, the average value over the entire thickness direction is SA/(SA+SB) >0.6, preferably >0.7, more preferably >0.8, and any thickness within the first layer 31, for example, 10 μm. In any of the local regions, it can be said that SA/(SA+SB)>0.6, preferably >0.7, and more preferably >0.8 are satisfied.
합계 단면적 SA, SB가 상술한 관계식을 충족함으로써, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 각각 나타나는 바와 같이, 본 양태의 제1 층(31) 중에는, 화합물상(31B)이 국소적으로 발생하여 이루어지는 취약한 층 구조가 출현하지 않게 된다. 그리고, 제1 층(31) 중에는, 제2 층(32)과 구리재(10)를 연결하는 고용상(31A)으로 이루어지는 패스가 확보되게 된다. 이 패스는, 고용체를 주성분으로 하기 때문에, 연성, 전성이 우수하고, 또한, 취성인 화합물상(31B)에 의해 도중에서 분단되지 않고, 제2 층(32)과 구리재(10)를 연속적으로 연결하고 있다. 이 패스는, 구리재(10)와 세라믹스재(20) 사이를 연결하는 강고한 접속 구조를 구성하게 된다.Since the total cross-sectional areas SA and SB satisfy the above-mentioned relational expression, as shown in Fig. 2(a) and Fig. 2(b), respectively, in the first layer 31 of this embodiment, the compound phase 31B is localized. The weak layer structure that is formed as a result of adversarial activity does not appear. And, in the first layer 31, a path consisting of the solid solution phase 31A connecting the second layer 32 and the copper material 10 is secured. Since this pass contains a solid solution as the main component, it is excellent in ductility and malleability, and furthermore, the second layer 32 and the copper material 10 are continuously formed without being broken along the way by the brittle compound phase 31B. Connecting. This path constitutes a strong connection structure connecting the copper material 10 and the ceramic material 20.
(특징 2)(Feature 2)
Mg를 포함하는 납재를 사용하여 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 접합시키는 경우, 납재에 포함되는 Mg가 증발함으로써, 제1 층(31) 중에, 보이드나 핀 홀(이하, 이들을 총칭하여 보이드라 함)이 발생할 것이 염려된다. 도 7에, Mg의 증발 등에 기인하여 발생한 보이드(33L)를 포함하는 접합층의 단면 확대 사진을 예시한다. 도 7에 있어서는, 대략 3500㎛2의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경(보이드의 단면적과 동등한 면적을 갖는 원의 직경)이 8㎛ 이상의 크기인 보이드(33L)의 존재를 확인할 수 있다. 또한, 도 7의 우측 상단에 있어서의 보이드(33L)의 원 상당 직경은 9 내지 10㎛ 정도이고, 좌측 상단에 있어서의 보이드(33L)의 원 상당 직경은 5㎛ 이상이며, 좌측 하단에 있어서의 보이드(33L)의 원 상당 직경은 3 내지 4㎛ 정도이다.When joining the copper material 10 and the ceramic material 20 using a brazing material containing Mg, Mg contained in the brazing material evaporates, thereby creating voids or pin holes (hereinafter, collectively referred to as these) in the first layer 31. Therefore, there is concern that voids) may occur. FIG. 7 illustrates an enlarged cross-sectional photograph of the bonding layer including voids 33L generated due to evaporation of Mg, etc. In FIG. 7, the presence of a void 33L having an equivalent circle diameter (diameter of a circle with an area equivalent to the cross-sectional area of the void) of 8 μm or more can be confirmed within a field of view of approximately 3500 μm 2 . In addition, the equivalent circular diameter of the void 33L in the upper right corner of Fig. 7 is about 9 to 10 μm, the equivalent circular diameter of the void 33L in the upper left corner is 5 μm or more, and the equivalent circular diameter of the void 33L in the upper left corner of Fig. 7 is about 9 to 10 μm. The equivalent circle diameter of the void 33L is about 3 to 4 μm.
이와 같은 큰 사이즈를 갖는 보이드(33L)의 존재는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도를 저하시키는 요인이 된다. 여기서, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합에, Mg 및 상술한 활성 금속 원소를 각각 단체로 포함하고, Cu를 포함하지 않는 납재를 사용한 경우, 납재에 포함되는 Mg가 격렬하게 증발하여, 제1 층(31) 중에 있어서의 원 상당 직경이 8㎛를 초과하는 보이드(33L)의 발생은 불가피하게 되고, 결과, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도가 현저하게 저하되게 된다. 또한 이 경우, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 그 자체가 불가하게 되는 경우도 있다.The presence of the void 33L having such a large size becomes a factor that reduces the bonding strength between the copper material 10 and the ceramic material 20. Here, in the case of joining the copper material 10 and the ceramic material 20, when a brazing material containing Mg and the above-mentioned active metal element alone and not containing Cu is used, the Mg contained in the brazing material evaporates violently. Therefore, the generation of voids 33L with an equivalent circular diameter exceeding 8 μm in the first layer 31 becomes inevitable, and as a result, the bonding strength between the copper material 10 and the ceramic material 20 is significantly reduced. becomes degraded. Also, in this case, the joining of the copper material 10 and the ceramic material 20 may become impossible.
이와 같은 과제에 대해, 본 양태에 있어서는, 접합 시, Mg 및 활성 금속 원소를 각각 포함할 뿐만 아니라, Cu를 후술하는 비율로 포함하는 납재(50)를 사용함으로써, 사이즈가 큰 보이드(33L), 예를 들어 8㎛ 이상의 원 상당 직경을 갖는 보이드(33L)의, 접합층(30) 중에 있어서의 출현을, 충분히 억제하는 것에 성공하였다.In response to this problem, in this embodiment, by using a brazing material 50 that not only contains Mg and an active metal element, but also contains Cu in a ratio described later, at the time of bonding, a void 33L of a large size is formed, For example, it was succeeded in sufficiently suppressing the appearance of voids 33L having an equivalent circular diameter of 8 μm or more in the bonding layer 30.
예를 들어, 도 2의 (a)에 있어서는, 대략 10000㎛2의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 3㎛ 이상의 크기인 보이드(33S)는 1개도 관찰되지 않고, 또한, 원 상당 직경이 1 내지 2㎛ 정도의 크기인 보이드(33S)의 수는 3개만으로 되어 있다. 또한 예를 들어, 도 2의 (b)에 있어서는, 대략 10000㎛2의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 2.5㎛ 정도의 크기인 보이드(33S)의 수는 1개만으로 되어 있고, 또한, 원 상당 직경이 1 내지 2㎛ 정도의 크기인 보이드(33S)의 수는 2개만으로 되어 있다.For example, in Fig. 2(a), within a field of view of approximately 10000 ㎛ 2 , not a single void 33S with an equivalent circle diameter of 3 ㎛ or more is observed, and furthermore, there is no void 33S with an equivalent circle diameter of 1 to 1 μm. There are only three voids 33S with a size of about 2㎛. For example, in Figure 2(b), within a field of view of approximately 10000 ㎛ 2 , the number of voids 33S with a circle-equivalent diameter of about 2.5 ㎛ is only one, and There are only two voids 33S with a diameter of about 1 to 2 μm.
이들과 같이, 본 양태에 있어서의 접합층(30)은, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 대략 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드(33L)가 1개도 관찰되지 않는다고 하는, 매우 우수한 특징을 갖고 있다.As such, the bonding layer 30 in this embodiment is within an arbitrary field of view of approximately 10000 ㎛ 2 when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the bonding surfaces 10s and 20s, It has an extremely excellent characteristic in that not a single void 33L with an equivalent circle diameter of 8 μm or more is observed.
본 양태에 있어서는, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 설령 보이드(33S)가 관찰되었다고 해도, 그 원 상당 직경은, 8㎛ 미만의 크기에 수렴되어 있고, 예를 들어 5㎛ 미만, 바람직하게는 3㎛ 미만의 크기로 되어 있다.In this embodiment, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s, even if voids 33S are observed, the equivalent circle diameter is less than 8 μm. It is converged and has a size of, for example, less than 5 μm, preferably less than 3 μm.
또한, 본 양태에 있어서는, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 원 상당 직경이 8㎛ 미만의 크기인 보이드(33S), 예를 들어 원 상당 직경이 2㎛ 초과 8㎛ 미만의 크기인 보이드(33S)가 관찰되는 경우는 있을 수 있지만, 그 수는, 대략 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 10개 이하, 바람직하게는 5개 이하로, 매우 적게 되어 있다. 또한, 본 양태에 있어서는, 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 이하의 크기인 보이드(33S)가 관찰되는 경우도 있을 수 있지만, 그 수는, 대략 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 20개 이하, 바람직하게는 10개 이하로, 매우 적게 되어 있다.In addition, in this embodiment, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the bonding surfaces 10s and 20s, a void 33S with a circular equivalent diameter of less than 8 μm, for example, a circular equivalent size, is formed. There may be cases where voids 33S with a diameter of more than 2 μm and less than 8 μm are observed, but the number of voids is 10 or less, preferably 5 or less, within any field of view of approximately 10000 μm 2 . , there is very little. In addition, in this embodiment, there may be cases where voids 33S with an equivalent circular diameter of 1 μm or more and 2 μm or less are observed, but the number of voids 33S is 20 within an arbitrary field of view of approximately 10000 μm 2 . Hereinafter, it is very small, preferably 10 or less.
(특징 3)(Feature 3)
접합층(30) 중, 세라믹스재(20)와의 계면을 구성하는 제2 층(32)은, 활성 금속 원소(여기서는 일례로서 Ti)의 질화물인 질화티타늄(TiN)을 주성분으로 하고 있다. 세라믹스재(20)가 질화규소로 이루어지는 경우에는, 제2 층(32) 중에, 조성식Ti5Si3로 표시되는 화합물 등이 포함되는 경우도 있다.Among the bonding layers 30, the second layer 32 constituting the interface with the ceramic material 20 contains titanium nitride (TiN), which is a nitride of an active metal element (Ti as an example here), as its main component. When the ceramic material 20 is made of silicon nitride, the second layer 32 may contain a compound represented by the compositional formula Ti 5 Si 3 .
또한, 본 양태에 있어서는, 제2 층(32)이, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X를 포함하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 질화물 결정 X는, 제2 층(32) 중, 세라믹스재(20)와의 계면 근방에 편재되어 있다.Additionally, in this embodiment, the second layer 32 contains nitride crystal X represented by the composition formula MgSiN 2 . Additionally, as shown in FIG. 3 , the nitride crystals X are localized near the interface with the ceramic material 20 in the second layer 32 .
질화물 결정 X가 편재되는 영역의 두께는, 제2 층(32)의 두께를 Tx로 하였을 때, Tx의 5% 내지 50%, 바람직하게는 10 내지 40% 정도가 된다. 예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 제2 층(32)의 두께 Tx가 250㎚ 정도인 경우, 질화물 결정 X가 편재되는 영역의 두께는, 10 내지 150㎚, 바람직하게는 20 내지 100㎚ 정도가 된다.The thickness of the region where the nitride crystals For example, as shown in FIG. 3, when the thickness Tx of the second layer 32 is about 250 nm, the thickness of the region where the nitride crystals It is about ㎚.
질화물 결정 X의 존재는, 제2 층(32)에 대해, 예를 들어 프리세션 전자선 회절법을 사용한 결정 해석(TEM-PED법)을 사용함으로써 확인할 수 있다.The presence of the nitride crystal
또한, 본 양태에 있어서의 제2 층(32)은, 조성식 Mg3N2로 표시되는 질화물 결정 Y를 실질적으로 포함하고 있지 않다. 질화물 결정 Y는, TEM-PED법에 의한 분석을 행해도 확인할 수 없다.In addition, the second layer 32 in this embodiment does not substantially contain nitride crystal Y represented by the composition formula Mg 3 N 2 . Nitride crystal Y cannot be confirmed even if analysis is performed using the TEM-PED method.
(특징 4)(Feature 4)
이들 다양한 특징을 가짐으로써, 본 양태에 있어서는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도를 현저하게 높이는 것에 성공하였다.By having these various features, in this embodiment, it has succeeded in significantly increasing the bonding strength between the copper material 10 and the ceramic material 20.
구체적으로는, 본 양태에 있어서의 접합층(30)의 전단 강도는, 10㎫ 이상, 바람직하게는 50㎫ 이상의 크기로 되어 있다. 또한, 본 양태에 있어서의 접합층(30)의 인장 강도는, 17.3㎫ 이상, 바람직하게는 86.6㎫ 이상의 크기로 되어 있다.Specifically, the shear strength of the bonding layer 30 in this embodiment is 10 MPa or more, preferably 50 MPa or more. In addition, the tensile strength of the bonding layer 30 in this embodiment is 17.3 MPa or more, preferably 86.6 MPa or more.
또한, 여기에서 말하는 접합층(30)의 전단 강도란, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 접합면(10s, 20s)에 평행인 방향을 따라서 서로 반대 방향으로 위치 어긋나게 하도록, 접합층(30)에 대하여 응력(전단 응력)을 가하였을 때, 접합층(30)을 파단(전단 파괴)시키는 데 필요로 하는, 단위 면적당에 있어서의 전단 응력의 크기를 의미한다. 또한, 접합층(30)의 인장 강도란, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 접합면(10s, 20s)에 수직인 방향을 따라서 서로 분리하도록, 접합층(30)에 대하여 응력(인장 응력)을 가하였을 때, 접합층(30)을 파단(박리 파괴)시키는 데 필요로 하는, 단위 면적당에 있어서의 인장 응력의 크기를 의미한다.In addition, the shear strength of the bonding layer 30 referred to here refers to the direction parallel to the bonding surfaces 10s and 20s of the copper material 10 and the ceramic material 20, as shown in FIG. 4(a). When stress (shear stress) is applied to the bonding layer 30 so as to cause displacement in opposite directions, the shear per unit area required to fracture (shear failure) the bonding layer 30 It means the magnitude of stress. In addition, the tensile strength of the bonding layer 30 refers to the strength of the copper material 10 and the ceramic material 20 to each other along the direction perpendicular to the bonding surfaces 10s and 20s, as shown in (b) of FIG. 4. When stress (tensile stress) is applied to the bonding layer 30 for separation, it means the magnitude of the tensile stress per unit area required to fracture (peel fracture) the bonding layer 30.
(2) 구리 세라믹스 접합체의 제조 방법(2) Manufacturing method of copper ceramic bonded body
다음으로, 상술한 구리 세라믹스 접합체(100)의 제조 방법에 대하여, 도 5의 (a) 내지 도 5의 (c)를 사용하여 설명한다.Next, the manufacturing method of the above-described copper ceramic joined body 100 will be explained using FIGS. 5(a) to 5(c).
먼저, 도 5 (a)에 도시한 바와 같이, 상술한 구리재(10)와, 상술한 세라믹스재(20)를 납재(50)를 개재하여 적층시키도록 배치한다.First, as shown in FIG. 5(a), the copper material 10 described above and the ceramic material 20 described above are arranged to be laminated with the brazing material 50 interposed therebetween.
납재(50)로서는, 상술한 바와 같이, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, 상술한 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 재료를 사용할 수 있다.As the brazing material 50, as described above, a material containing 65 to 95 at% Cu, 4.5 to 33 at% Mg, and the above-mentioned active metal elements in a total ratio of 0.1 to 7 at% can be used.
납재(50)에 포함되는 Cu는, 납재(50)가 구리재(10) 및 세라믹스재(20)와 반응함으로써 형성되는 접합층(30)에, 상술한 다양한 특징을 발현시키도록 작용한다. 또한, 납재(50)에 포함되는 Mg는, 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 접합할 때, 구리재(10)와 납재(50)의 습윤성 및 세라믹스재(20)와 납재(50)의 습윤성을, 밸런스 좋게 높이도록 작용한다. 또한, 납재(50)에 포함되는 활성 금속 원소는, 세라믹스재(20)와 반응하여 제2 층(32)을 형성하여, 접합층(30)과 세라믹스재(20) 사이의 접합 강도를 높이도록 작용한다.Cu contained in the brazing material 50 acts to develop the various characteristics described above in the bonding layer 30 formed when the brazing material 50 reacts with the copper material 10 and the ceramic material 20. In addition, Mg contained in the brazing material 50 affects the wettability of the copper material 10 and the brazing material 50 and the ceramic material 20 and the brazing material 50 when joining the copper material 10 and the ceramic material 20. ) acts to increase the wettability of the product in a well-balanced manner. In addition, the active metal element contained in the brazing material 50 reacts with the ceramic material 20 to form the second layer 32 to increase the bonding strength between the bonding layer 30 and the ceramic material 20. It works.
또한, 납재(50)에 포함되는 Mg 함유량이 4.5at% 미만이 되거나, 활성 금속 원소 함유량이 합계로 0.1at% 미만이 되거나 하여, Cu 함유량이 95at%를 초과하는 경우에는, 상술한 Mg 첨가에 의한 효과나, 활성 금속 원소 첨가에 의한 효과가, 얻어지지 않게 된다.In addition, when the Mg content contained in the brazing material 50 is less than 4.5 at%, or the total active metal element content is less than 0.1 at%, or the Cu content exceeds 95 at%, the above-mentioned Mg addition The effect due to the addition of the active metal element or the effect due to the addition of the active metal element will not be obtained.
또한, 납재(50)에 있어서의 Mg 함유량이 33at%를 초과하거나, 활성 금속 원소 함유량이 합계로 7at%를 초과하거나 하여, Cu 함유량이 65at% 미만이 되는 경우에는, 상술한 Cu 첨가에 의한 효과가 얻어지지 않게 된다. 예를 들어, 상술한 SA, SB가, SA/(SA+SB)>0.6의 관계식을 충족하지 않게 되고, 제1 층(31) 중에, 제2 층(32)과 구리재(10)를 연결하는 고용상(31A)으로 이루어지는 패스를 확보할 수 없게 된다. 또한 예를 들어, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드(33L)가 출현하게 된다. 또한 예를 들어, 세라믹스재(20)와의 계면을 구성하는 제2 층(32)에, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X가 출현하지 않게 된다. 이들의 결과, 접합층(30)의 전단 강도나 인장 강도가 크게 저하되고, 전단 강도는 10㎫ 미만, 인장 강도는 17.3㎫ 미만이 되고, 나아가, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합이 실질적으로 실패하는 경우도 있다.In addition, when the Mg content in the brazing material 50 exceeds 33 at%, the total active metal element content exceeds 7 at%, or the Cu content is less than 65 at%, the effect of adding Cu as described above cannot be obtained. For example, the above-described SA and SB do not satisfy the relational expression SA/(SA+SB)>0.6, and the second layer 32 and the copper material 10 are connected among the first layer 31. It becomes impossible to secure a pass made by the employer (31A). Also, for example, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s, a void 33L with an equivalent circular diameter of 8 μm or more appears. Additionally , for example, nitride crystals As a result of these, the shear strength and tensile strength of the bonding layer 30 are greatly reduced, the shear strength becomes less than 10 MPa and the tensile strength becomes less than 17.3 MPa, and further, the copper material 10 and the ceramic material 20 In some cases, the bond actually fails.
이들의 것으로부터, 납재(50)에 포함시키는 Cu, Mg 및 활성 금속 원소의 첨가량은, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, 상술한 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 범위 내의 양으로 하는 것이 바람직하다.From these, the addition amount of Cu, Mg, and active metal elements contained in the brazing material 50 is 65 to 95 at% of Cu, 4.5 to 33 at% of Mg, and 0.1 to 7 at% of the above-mentioned active metal elements in total. It is desirable to set the amount within the range.
또한, Cu는, 단체(Cu 결정), 수소화물(CuH), Mg와의 금속간 화합물(MgCu2), 활성 금속 원소와의 금속간 화합물(예를 들어 Cu-Ti 화합물) 중, 적어도 어느 것의 양태로 포함시킬 수 있다. Mg는, 단체(Mg 결정), 수소화물(MgH2), Cu와의 금속간 화합물(MgCu2), 활성 금속 원소와의 화합물(예를 들어 Mg-Ti 화합물) 중, 적어도 어느 것의 양태로 포함시킬 수 있다. 활성 금속 원소는, 예를 들어 Ti를 선택하는 경우, 단체(Ti 결정), 수소화물(TiH2), Cu와의 금속간 화합물, Mg와의 금속간 화합물 중, 적어도 어느 것의 양태로 포함시킬 수 있다.In addition, Cu is in at least one form among simple substance (Cu crystal), hydride (CuH), intermetallic compound with Mg (MgCu 2 ), and intermetallic compound with active metal element (for example, Cu-Ti compound). It can be included as . Mg can be included in at least one form among simple substance (Mg crystal), hydride (MgH 2 ), intermetallic compound with Cu (MgCu 2 ), and compound with active metal element (for example, Mg-Ti compound). You can. For example, when Ti is selected, the active metal element can be included in at least any form among simple substance (Ti crystal), hydride (TiH 2 ), intermetallic compound with Cu, and intermetallic compound with Mg.
납재(50)는, Mg를, Mg 단체의 양태로 포함하지 않고, Cu와의 금속간 화합물(MgCu2)의 양태로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 납재(50)는, Cu를, Cu 단체와, Mg와의 금속간 화합물(MgCu2)의 양태로 포함하는 것이 바람직하다. 납재(50)가, Cu-MgCu2의 공정 조성을 가짐으로써, 납재(50)의 융점을 저하시키는 것이 가능해진다. 또한, 이에 의해, 접합 시의 가열 온도를 저하시킬 수 있어, Mg의 과격한 증발을 피할 수 있다. 결과로서, 형성되는 접합층(30)에, 상술한 다양한 특징을 보다 확실하게 발현시키는 것이 가능해진다.The brazing material 50 preferably contains Mg not in the form of Mg alone, but in the form of an intermetallic compound with Cu (MgCu 2 ). In addition, the brazing material 50 preferably contains Cu in the form of Cu alone and an intermetallic compound with Mg (MgCu 2 ). When the brazing material 50 has a eutectic composition of Cu-MgCu 2 , it becomes possible to lower the melting point of the brazing material 50. In addition, this allows the heating temperature at the time of joining to be lowered, and rapid evaporation of Mg can be avoided. As a result, it becomes possible to more reliably express the various characteristics described above in the formed bonding layer 30.
납재(50)의 양태는, 분말상, 박상, 페이스트상 중 어느 것이어도 된다. 분말상의 양태로 하는 경우, 분말의 평균 입경(D50)은 예를 들어 5 내지 50㎛로 할 수 있다. 박상의 양태로 하는 경우, 그 평균 막 두께는 예를 들어 5 내지 200㎛ 로 할 수 있다. 페이스트상의 양태로 하는 경우, 그 주용매로서, 테르피네올, 부탄디올 등의 알코올류나 톨루엔류를, 바인더로서, 폴리비닐알코올, 에틸셀룰로오스, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴 등을, 계면 활성제로서, 양이온계, 음이온계, 비이온계의 활성제를 사용할 수 있다. 가소제나 분산제를 더 포함하고 있어도 된다.The form of the brazing material 50 may be any of powder form, thin form, or paste form. In the case of powder form, the average particle diameter (D50) of the powder can be, for example, 5 to 50 μm. When it is in the form of a thin film, the average film thickness can be, for example, 5 to 200 μm. In the case of a paste-like form, alcohols such as terpineol and butanediol and toluene are used as the main solvent, polyvinyl alcohol, ethyl cellulose, polymethacrylic acid, polyacrylic, etc. are used as a binder, and cations are used as a surfactant. Systemic, anionic, and nonionic activators can be used. It may further contain a plasticizer or dispersant.
구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 예정면(10s', 20s')에 납재(50)를 배치하는 방법으로서는, 스크린 인쇄, 전사, 디스펜스, 잉크젯, 스프레이 도포, 스퍼터링, 증착 등의 공지의 방법을 사용할 수 있다.Methods for arranging the brazing material 50 on the planned joining surfaces 10s' and 20s' of the copper material 10 and the ceramic material 20 include screen printing, transfer, dispensing, inkjet, spray coating, sputtering, and vapor deposition. Known methods can be used.
계속해서, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 납재(50)를 개재하여 배치한 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 적층체(100')를, 적층 방향으로 가압하면서, 소정의 분위기 하에서 가열하여 유지한다.Subsequently, as shown in (b) of FIG. 5, the laminate 100' of the copper material 10 and the ceramic material 20 disposed with the brazing material 50 interposed is pressed in the stacking direction, It is heated and maintained under a predetermined atmosphere.
조건으로서는, 이하가 예시된다.The conditions are exemplified below.
분위기: 감압 분위기, 불활성 가스 분위기, 환원 분위기 중 어느 것Atmosphere: Any of reduced pressure atmosphere, inert gas atmosphere, reducing atmosphere
산소 농도: 1000ppm 이하, 바람직하게는 300ppm 이하, 보다 바람직하게는 30ppm 이하Oxygen concentration: 1000 ppm or less, preferably 300 ppm or less, more preferably 30 ppm or less.
가압: 0.5kPa 이상Pressurized: above 0.5kPa
가열 온도: 735℃ 이상 900℃ 이하Heating temperature: 735℃ or higher and 900℃ or lower
유지 시간: 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 3분 이상 120분 이하Holding time: There is no particular limitation, for example, 3 minutes or more and 120 minutes or less.
가열 시에는, 납재(50)의 일부에 액상이 형성되어 있는 것이 필요하고, 게다가, 그 액상 중에 활성 금속 원소가 용융되어 있을 필요가 있다. 가열 온도를 735℃ 이상으로 함으로써, 이 상태를 만들어 낼 수 있다. 단, 가열 온도를 너무 높게 하면, Mg의 증발이 심해져, 액상 형성이 곤란해지거나, 형성되는 접합층(30) 중에 보이드(33L)가 발생하거나 하는 경우가 있다. 가열 온도를 900℃ 이하로 함으로써, 이와 같은 과제를 피하는 것이 가능해진다. 가압을 0.5kPa 이상으로 함으로써 납재(50)를 개재한 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 밀착 상태를 유지할 수 있어, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도를 높이는 것이 가능해진다. 가압의 상한에 대해서는 특별히 한정은 없지만, 예를 들어 2.0kPa 정도로 할 수 있다. 분위기 중에 포함되는 산소 성분은, 활성 금속 원소나 Mg를 산화시키는 요인이 되기 때문에 낮은 쪽이 바람직하고, 상술한 농도 범위로 함으로써, 이와 같은 과제를 해소하는 것이 가능해진다.At the time of heating, it is necessary that a liquid phase is formed in a part of the brazing material 50, and in addition, the active metal element must be melted in the liquid phase. This state can be created by setting the heating temperature to 735°C or higher. However, if the heating temperature is too high, evaporation of Mg may become severe, making liquid phase formation difficult, or voids 33L may be generated in the formed bonding layer 30. By setting the heating temperature to 900°C or lower, it becomes possible to avoid such problems. By setting the pressurization to 0.5 kPa or more, it is possible to maintain close contact between the copper material 10 and the ceramic material 20 via the brazing material 50, thereby increasing the bonding strength between the copper material 10 and the ceramic material 20. It becomes possible. There is no particular limitation on the upper limit of pressurization, but for example, it can be about 2.0 kPa. Since the oxygen component contained in the atmosphere is a factor that oxidizes the active metal elements and Mg, it is preferable that it is lower. By setting the concentration within the above-mentioned range, it becomes possible to solve this problem.
그 후, 가열시킨 적층체(100')를 강온시킨다. 그 결과, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 상술한 다양한 특징을 갖는 구리 세라믹스 접합체(100)가 제조된다.Thereafter, the heated laminate 100' is cooled. As a result, as shown in Figure 5(c), a copper ceramic bonded body 100 having the various characteristics described above is manufactured.
(3) 효과(3) Effect
본 양태에 의하면, 이하에 나타내는 효과 중, 1개 또는 복수의 효과가 얻어진다.According to this aspect, one or more of the effects shown below are obtained.
(a) 구리재(10)와 세라믹스재(20)를, Mg 및 활성 금속 원소를 각각 포함할 뿐만 아니라, Cu를 상술한 비율로 포함하는 상술한 납재(50)를 사용하여 접합함으로써, 제1 층(31) 내에 있어서의 화합물상(31B)의 국소적인 발생(예를 들어, 상술한 계면 근방 영역 D에 있어서의 국소적인 발생)을 피하는 것이 가능해진다. 그 결과, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 제2 층(32)에 인접하는 계면 근방 영역 D에 있어서, 고용상(31A)의 합계 단면적 SA, 화합물상(31B)의 합계 단면적 SB가, SA/(SA+SB)>0.6의 관계식을 충족하게 된다. 또한, 제1 층(31) 중에, 제2 층(32)과 구리재(10)를 연결하는 고용상(31A)으로 이루어지는 패스가 확보되게 된다.(a) The first first It becomes possible to avoid local generation of the compound phase 31B in the layer 31 (for example, local generation in the region D near the interface described above). As a result, when the first layer 31 is observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s, the total cross-sectional area of the solid solution phase 31A in the area D near the interface adjacent to the second layer 32 is SA and the total cross-sectional area SB of the compound phase (31B) satisfy the relational expression SA/(SA+SB)>0.6. In addition, in the first layer 31, a path made of the solid solution phase 31A connecting the second layer 32 and the copper material 10 is secured.
(b) 구리재(10)와 세라믹스재(20)를 상술한 납재(50)를 사용하여 접합함으로써, 제1 층(31) 중에 있어서의 보이드(33L)의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 그 결과, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층(31)을 관찰하였을 때, 10000㎛2의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드(33L)가 관찰되지 않게 된다.(b) By joining the copper material 10 and the ceramic material 20 using the brazing material 50 described above, it becomes possible to suppress the generation of voids 33L in the first layer 31. As a result, when the first layer 31 was observed in a cross section perpendicular to the joint surfaces 10s and 20s, voids 33L with an equivalent circular diameter of 8 μm or more were not observed within a field of view of 10000 μm 2 . It won't happen.
(c) 구리재(10)와 세라믹스재(20)를, 상술한 납재(50)를 사용하여 접합함으로써, 제2 층(32) 중에, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X를 포함시키는 것이 가능해진다. 또한, 이 질화물 결정 X를, 제2 층(32) 중, 세라믹스재(20)와의 계면 근방에 편재시키는 것도 가능해진다.(c) By bonding the copper material 10 and the ceramic material 20 using the above-described brazing material 50, it is possible to include nitride crystals It becomes. In addition, it is also possible to localize this nitride crystal X near the interface with the ceramic material 20 in the second layer 32.
(d) 이들의 다양한 특징 중 적어도 어느 것에 의해, 구리재(10)와 세라믹스재(20)의 접합 강도를 비약적으로 높이는 것이 가능해진다. 예를 들어, 접합층(30)의 전단 강도를, 10㎫ 이상, 바람직하게는 50㎫ 이상의 크기로 하는 것이 가능해진다. 또한, 접합층(30)의 인장 강도를, 17.3㎫ 이상, 바람직하게는 86.6㎫ 이상의 크기로 하는 것이 가능해진다.(d) At least one of these various features makes it possible to dramatically increase the bonding strength between the copper material 10 and the ceramic material 20. For example, it becomes possible to set the shear strength of the bonding layer 30 to 10 MPa or more, preferably 50 MPa or more. Additionally, it becomes possible to set the tensile strength of the bonding layer 30 to 17.3 MPa or more, preferably 86.6 MPa or more.
<본 개시의 다른 양태><Other aspects of the present disclosure>
이상, 본 개시의 양태를 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 개시는 상술한 양태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.Above, aspects of the present disclosure have been described in detail. However, the present disclosure is not limited to the above-described aspects, and various changes can be made without departing from the gist.
세라믹스재(20)의 재료로서, 질화규소나 질화알루미늄을 사용하는 예에 대하여 설명하였지만, 이들에 한정되지는 않고, 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC), 탄화 붕소(B4C), ZTA(지르코니아 강화 알루미나), 다이아몬드 등을 사용해도 된다. 이들의 경우에도, 본 개시의 기술을 적용할 수 있어, 상술한 양태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.As a material for the ceramic material 20, an example of using silicon nitride or aluminum nitride has been described, but it is not limited to these, and may include alumina (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), and boron carbide (B 4 C). , ZTA (zirconia reinforced alumina), diamond, etc. may be used. Even in these cases, the technology of the present disclosure can be applied, and the same effect as the above-described aspect is obtained.
세라믹스재(20)에 접합하는 금속재로서, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재(10)를 사용하는 예에 대하여 설명하였지만, 이들에 한정되지는 않고, Ni 또는 Ni 합금으로 이루어지는 니켈재를 사용해도 된다. 이 경우에도, 본 개시의 기술을 적용할 수 있어, 상술한 양태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.As a metal material to be joined to the ceramic material 20, an example of using the copper material 10 made of Cu or a Cu alloy has been described, but it is not limited to these, and a nickel material made of Ni or a Ni alloy may be used. . Even in this case, the technology of the present disclosure can be applied, and the same effect as the above-described aspect is obtained.
본 양태에 있어서의 구리 세라믹스 접합체는, 절연 회로 기판의 용도에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 히트 싱크나, 내연 기관이나 발전 기계의 구성 부품과 같은, 다양한 용도에 널리 적용 가능하고, 이들의 경우에도, 상술한 양태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.The copper ceramic bonded body in this embodiment is not limited to the use of an insulating circuit board, but can be widely applied to a variety of applications, such as heat sinks and component parts of internal combustion engines and power generation machines. In this way, the same effect as the above-described embodiment is obtained.
[실시예][Example]
(샘플 1 내지 20)(Samples 1 to 20)
세라믹스재로서, 두께 0.3㎜의 질화규소로 이루어지는 판재를, 구리재로서, 두께 2.0㎜의 무산소 구리로 이루어지는 판재를 사용하였다. 납재로서는, Cu-Mg 합금 분말, Cu 분말, TiH2 분말을 소정의 비율로 혼합하여 페이스트화한 것을 사용하였다. 페이스트화 시에는, 용매로서 분자량 400 이하의 폴리에틸렌글리콜 및 디에틸렌글리콜모노부틸에테르를 사용하고, 페이스트 중에 있어서의 용매의 비율은 9mass%로 하였다. 페이스트 중에 있어서의 Cu:Mg:Ti의 원소 혼합비는, 표 1대로 하였다. 이 페이스트를, 세라믹스재의 접합 예정면 상에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하고, 도포한 페이스트막의 바로 위에 구리재를 배치하고, 적층 방향을 따라서 8kPa의 힘으로 가압하고, 1.0×10-2Pa 이하의 진공 분위기 하에서, 표 1의 조건 하에서 가열 처리를 행함으로써, 샘플 1 내지 20을 제작하였다.As a ceramic material, a plate made of silicon nitride with a thickness of 0.3 mm was used, and as a copper material, a plate made of oxygen-free copper with a thickness of 2.0 mm was used. As the brazing material, a paste obtained by mixing Cu-Mg alloy powder, Cu powder, and TiH 2 powder in a predetermined ratio was used. When forming a paste, polyethylene glycol and diethylene glycol monobutyl ether with a molecular weight of 400 or less were used as solvents, and the ratio of the solvent in the paste was 9 mass%. The element mixing ratio of Cu:Mg:Ti in the paste was as shown in Table 1. This paste is applied using screen printing on the planned joining surface of the ceramic material, a copper material is placed directly on top of the applied paste film, and is pressed with a force of 8 kPa along the stacking direction, and a pressure of 1.0×10 -2 Pa or less is applied. Samples 1 to 20 were produced by heat treatment in a vacuum atmosphere under the conditions shown in Table 1.
그리고, 샘플 1 내지 20에 대하여, 접합면(10s, 20s)에 수직인 단면에서 제1 층을 관찰하고, 제2 층과의 계면으로부터 구리재측을 향하는 계면 근방 영역에 있어서, 상술한 SA/(SA+SB)로 표시되는 단면적 비율을 측정하였다. 이 관찰은, FE-SEM 및 EDX를 사용하여 행하였다. EDX로부터 주상이 Cu로 되어 있는 상을 확인하여 이것을 고용상으로 하고, 반사 전자상의 콘트라스트가 고용상과는 다르게 되어 있는 상을 화합물상으로 하였다. 이들의 합계 단면적이나 그 비율은, 화상 해석 소프트웨어 「Image J(등록 상표)」를 사용하여 산출하였다. 해석 범위는, 제2 층과의 계면으로부터 10㎛, 폭은 90㎛의 범위로 하였다.Then, for samples 1 to 20, the first layer was observed in a cross section perpendicular to the bonding surfaces 10s and 20s, and in the area near the interface toward the copper material side from the interface with the second layer, the above-described SA/( The cross-sectional area ratio expressed as SA+SB) was measured. This observation was made using FE-SEM and EDX. The phase in which the main phase was Cu was confirmed from EDX, and this was designated as the solid solution phase, and the phase in which the contrast of the reflected electron image was different from that of the solid solution phase was designated as the compound phase. These total cross-sectional areas and their ratios were calculated using image analysis software “Image J (registered trademark).” The analysis range was 10 μm from the interface with the second layer, and the width was 90 μm.
계속해서, 접합층의 전단 강도 시험을 행하였다. 이 시험에서는, 먼저, 얻어진 샘플 1 내지 20(구리 세라믹스 접합체)에 대하여, 구리재를 직경 3㎜, 높이 2㎜의 원기둥 형상으로 가공하고, 그 주위의 세라믹스재의 접합면을 노출시킨 상태로 하여, 시험편을 제작하였다. 그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 시험편의 세라믹스재를 고정한 상태에서, 원주상의 구리재를, 접합면과 평행인 방향을 따라서 변위 지그를 사용하여 압박하고, 접합층이 파단(전단 파괴)에 이를 때의 응력의 크기를 측정하고, 그 값에 기초하여, 접합층의 전단 강도를 산출하였다. 또한, 전단 시험 위치(변위 지그의 맞닿음 높이 H)는, 세라믹스재의 노출면으로부터 200㎛의 높이로 하고, 변위축의 이동 속도는 100㎛/s로 하였다.Subsequently, a shear strength test of the bonding layer was performed. In this test, first, for the obtained samples 1 to 20 (copper-ceramic bonded body), the copper material was processed into a cylindrical shape with a diameter of 3 mm and a height of 2 mm, and the bonding surface of the surrounding ceramic material was exposed. A test piece was produced. Then, as shown in FIG. 6, in a state in which the ceramic material of the test piece is fixed, the cylindrical copper material is pressed using a displacement jig along a direction parallel to the joint surface, and the joint layer is fractured (shear fracture). The magnitude of the stress when reaching was measured, and based on the value, the shear strength of the bonding layer was calculated. In addition, the shear test position (contact height H of the displacement jig) was set at a height of 200 μm from the exposed surface of the ceramic material, and the moving speed of the displacement axis was set at 100 μm/s.
또한, 전단 강도 시험의 결과에 기초하여, 접합층의 인장 강도를 산출하였다. 접합층의 인장 강도는, 폰 미세스의 식을 사용하여 전단 강도로부터 환산할 수 있고, 그 크기는, 대략, 전단 강도의 1.73배가 된다.Additionally, based on the results of the shear strength test, the tensile strength of the bonding layer was calculated. The tensile strength of the bonding layer can be converted from the shear strength using the von Mises equation, and its magnitude is approximately 1.73 times the shear strength.
표 1에, 이들의 결과를 나타낸다.Table 1 shows these results.
표 1에 나타나는 바와 같이, 샘플 1 내지 20에 있어서는, 모두, SA/(SA+SB)로 표시되는 단면적 비율이 0.6을 초과한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 어느 샘플도, 전단 강도는 모두 10㎫ 이상(이들 샘플에서는 50㎫ 이상)이고, 이것에 기초하여 환산되는 인장 강도는 17.3㎫ 이상(이들 샘플에서는 86.6㎫ 이상)인 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, it was confirmed that in all of Samples 1 to 20, the cross-sectional area ratio expressed as SA/(SA+SB) exceeded 0.6. In addition, it was confirmed that the shear strength of all samples was 10 MPa or more (50 MPa or more in these samples), and the tensile strength converted based on this was 17.3 MPa or more (86.6 MPa or more in these samples).
또한, 단면 관찰의 결과, 샘플 1 내지 20에 있어서는, 모두, (1) 제1 층 중에, 제2 층과 구리재를 연결하는 고용상으로 이루어지는 패스가 확보되어 있는 것, (2) 대략 10000㎛2의 시야 내에 있어서, 제1 층 중에, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드가 1개도 관찰되지 않는 것, (3) 동 시야 내에 있어서, 제1 층 중에, 원 상당 직경이 2㎛ 초과 8㎛ 미만의 크기인 보이드가 관찰된 경우라도 그 수가 10개 이하, 바람직하게는 5개 이하인 것, (4) 동 시야 내에 있어서, 제1 층 중에, 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 이하의 크기인 보이드가 관찰된 경우라도, 그 수가 20개 이하, 바람직하게는 10개 이하인 것, (5) 제2 층이, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X를 포함하고 있는 것, (6) 질화물 결정 X가, 두께 Tx의 제2 층 중, 세라믹스재와의 계면 근방에, Tx의 5% 내지 50%, 바람직하게는 10 내지 40% 정도의 두께로 편재되어 있는 것에 대해서도 확인할 수 있었다.In addition, as a result of cross-sectional observation, in Samples 1 to 20, all were as follows: (1) in the first layer, a path consisting of a solid solution connecting the second layer and the copper material was secured, and (2) approximately 10000 μm. 2. Within the field of view, not a single void with an equivalent circle diameter of 8 μm or more is observed in the first layer; (3) within the field of view, no voids with an equivalent circle diameter of more than 2 μm are observed in the first layer; 8 Even if voids with a size of less than ㎛ are observed, the number is 10 or less, preferably 5 or less, (4) Within the field of view, in the first layer, the equivalent circle diameter is 1 ㎛ or more and 2 ㎛ or less. Even if phosphorus voids are observed, the number is 20 or less, preferably 10 or less, (5) the second layer contains nitride crystals It was also confirmed that
(샘플 21, 22)(Samples 21 and 22)
샘플 1 내지 20과 마찬가지로, 세라믹스재로서, 두께 0.32㎜의 질화규소로 이루어지는 판재를, 구리재로서, 두께 2㎜의 무산소 구리로 이루어지는 판재를 사용하였다. 납재로서는, Cu 분말을 포함하지 않고, Mg 분말, TiH2 분말을 소정의 비율로 혼합하여 페이스트화한 것을 사용하였다. 페이스트화 시에는, 샘플 1 내지 20과 마찬가지로, 용매로서 분자량 400 이하의 폴리에틸렌글리콜 및 디에틸렌글리콜모노부틸에테르를 사용하고, 페이스트 중에 있어서의 용매의 비율은 9mass%로 하였다. 페이스트 중에 있어서의 Cu:Mg:Ti의 원소 혼합비는, 표 1대로 하였다. 이 페이스트를 세라믹스재의 접합 예정면 상에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하고, 도포한 페이스트막의 바로 위에 구리재를 배치하고, 적층 방향을 따라서 8kPa의 힘으로 가압하고, 1.0×10-2Pa 이하의 진공 분위기 하에서, 표 1의 조건 하에서 가열 처리를 행하여, 샘플 21, 22를 제작하였다.Similarly to Samples 1 to 20, a plate made of silicon nitride with a thickness of 0.32 mm was used as a ceramic material, and a plate made of oxygen-free copper with a thickness of 2 mm was used as a copper material. As a brazing material, a paste was used that did not contain Cu powder but mixed Mg powder and TiH 2 powder in a predetermined ratio to form a paste. When forming a paste, as in Samples 1 to 20, polyethylene glycol and diethylene glycol monobutyl ether with a molecular weight of 400 or less were used as solvents, and the ratio of the solvent in the paste was 9 mass%. The element mixing ratio of Cu:Mg:Ti in the paste was as shown in Table 1. This paste is applied to the planned joint surface of the ceramic material using screen printing, a copper material is placed directly on top of the applied paste film, and pressurized with a force of 8 kPa along the stacking direction, and vacuumed at 1.0 × 10 -2 Pa or less. Heat treatment was performed under the conditions in Table 1 in an atmosphere to produce samples 21 and 22.
그리고, 샘플 21, 22에 대하여, 상술한 방법에 의해 전단 강도 시험을 행하였다. 표 1에 결과를 나타내는 바와 같이, 전단 강도는 0.5㎫ 이하, 인장 강도는 0.9㎫ 이하이고, 이들 샘플에서는, 실용적인 접합 강도가 얻어지지 않은 것(실질적으로는 미접합인 것)을 확인할 수 있었다. 또한, 이들 샘플에 있어서는, 단면 조직 관찰용의 가공에 견딜 수 있는 접합 강도를 갖고 있지 않기 때문에, 접합면에 수직인 단면에서의 접합층의 관찰은 행할 수 없었다.Then, a shear strength test was performed on samples 21 and 22 by the method described above. As the results are shown in Table 1, the shear strength was 0.5 MPa or less and the tensile strength was 0.9 MPa or less, and it was confirmed that practical bond strength was not obtained in these samples (substantially non-bonded). Additionally, since these samples did not have a bonding strength that could withstand processing for cross-sectional structure observation, the bonding layer could not be observed in a cross section perpendicular to the bonding surface.
<본 개시의 바람직한 양태><Preferred embodiments of the present disclosure>
이하, 본 개시의 바람직한 양태에 대하여 부기한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described.
본 개시의 일 양태에 의하면,According to one aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와,A copper material made of Cu or Cu alloy,
상기 구리재에 접합되며, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재와,A ceramic material bonded to the copper material and made of Si or Al nitride,
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 접합면에 형성되며, Cu와 Mg를 포함하고, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 더 포함하는 접합층을 갖고,It is formed on the joint surface of the copper material and the ceramic material, and includes Cu and Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, It has a bonding layer further containing at least one active metal element selected from the group consisting of Nd, Gd, and Er,
상기 접합층의 전단 강도가 10㎫ 이상(바람직하게는 50㎫ 이상)인The shear strength of the bonding layer is 10 MPa or more (preferably 50 MPa or more).
구리 세라믹스 접합체가 제공된다.A copper ceramic joint is provided.
바람직하게는,Preferably,
상기 접합층의 인장 강도가 17.3㎫ 이상(바람직하게는 86.6㎫ 이상)이다.The tensile strength of the bonding layer is 17.3 MPa or more (preferably 86.6 MPa or more).
또한 바람직하게는,Also preferably,
상기 접합층이,The bonding layer is
상기 구리재와의 계면을 구성하고, Cu에 Mg가 고용되어 이루어지는 고용상을 포함하는 제1 층과,A first layer that constitutes an interface with the copper material and includes a solid solution phase formed by Mg being dissolved in Cu;
상기 세라믹스재와의 계면을 구성하고, 상기 활성 금속 원소의 질화물을 포함하는 제2 층을 갖고,It has a second layer that constitutes an interface with the ceramic material and contains a nitride of the active metal element,
상기 제1 층이, Cu와 Mg의 금속간 화합물을 포함하는 화합물상을 더 포함하고,The first layer further includes a compound phase containing an intermetallic compound of Cu and Mg,
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 상기 제2 층과의 계면에 인접하는 계면 근방 영역에 있어서, 상기 고용상의 합계 단면적 SA, 상기 화합물상의 합계 단면적 SB가,When the first layer is observed in a cross section perpendicular to the joint surface, in the area near the interface adjacent to the interface with the second layer, the total cross-sectional area SA of the solid solution phase and the total cross-sectional area SB of the compound phase are,
SA/(SA+SB)>0.6, 바람직하게는 >0.7, 보다 바람직하게는 >0.8의 관계식을 충족한다.SA/(SA+SB)>0.6, preferably >0.7, and more preferably >0.8 are satisfied.
바람직하게는,Preferably,
상기 제1 층이, 상기 제2 층과 상기 구리재를 연결하는 상기 고용상으로 이루어지는 패스를 갖는다.The first layer has a path consisting of the solid solution phase connecting the second layer and the copper material.
바람직하게는,Preferably,
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드가 관찰되지 않는다.When the first layer is observed in a cross section perpendicular to the bonding surface, no voids having an equivalent circle diameter of 8 μm or more are observed within any field of view of 10000 μm 2 .
바람직하게는,Preferably,
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 2㎛ 초과 8㎛ 미만의 크기인 보이드의 수가, 10개 이하, 바람직하게는 5개 이하이고, 또한, 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 이하의 크기인 보이드의 수가, 20개 이하, 바람직하게는 10개 이하이다.When the first layer is observed in a cross section perpendicular to the joint surface, the number of voids with an equivalent circle diameter of more than 2 μm and less than 8 μm in an arbitrary field of view of 10000 μm 2 is 10 or less, preferably 10 or less. is 5 or less, and the number of voids with an equivalent circle diameter of 1 μm to 2 μm is 20 or less, preferably 10 or less.
바람직하게는,Preferably,
상기 제2 층이, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X를 포함하고 있다.The second layer contains nitride crystal X represented by the composition formula MgSiN 2 .
바람직하게는,Preferably,
상기 질화물 결정 X가, 상기 제2 층 중, 상기 세라믹스재와의 계면 근방에 편재되어 있다.The nitride crystal X is localized in the second layer near the interface with the ceramic material.
바람직하게는,Preferably,
상기 제2 층이, 조성식 Mg3N2로 표시되는 질화물 결정 Y를 실질적으로 포함하지 않는다.The second layer does not substantially contain nitride crystal Y represented by the composition formula Mg 3 N 2 .
본 개시의 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재의 접합에 사용되고,It is used for joining a copper material made of Cu or Cu alloy and a ceramic material made of nitride of Si or Al,
Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 Cu at 65 to 95 at%, Mg at 4.5 to 33 at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er. Containing at least one active metal element selected from the group consisting of a total ratio of 0.1 to 7 at%
납재가 제공된다.Lead material is provided.
바람직하게는,Preferably,
Mg를, (Mg 단체의 양태로 포함하지 않고,) Cu와의 금속간 화합물(MgCu2 결정)의 양태로 포함한다.Mg is included (not in the form of Mg alone) in the form of an intermetallic compound with Cu (MgCu 2 crystal).
바람직하게는,Preferably,
Cu를, Cu 단체와, Mg와의 금속간 화합물의 양태로 포함한다.Cu is included in the form of Cu alone and an intermetallic compound with Mg.
본 개시의 또 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재와 접합되는 구리재이며,It is a copper material bonded to a ceramic material made of Si or Al nitride,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지고,Made of Cu or Cu alloy,
상기 세라믹스재와의 접합 예정면에, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 납재로 이루어지는 층이 형성되어 있는 On the surface to be joined to the ceramic material, 65 to 95 at% of Cu, 4.5 to 33 at% of Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, A layer formed of a brazing material containing at least one active metal element selected from the group consisting of Sm, Yb, Nd, Gd, and Er in a total ratio of 0.1 to 7 at%.
납재 구비 구리재가 제공된다.Copper material with brazing material is provided.
본 개시의 또 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와 접합되는 세라믹스재이며,It is a ceramic material bonded to a copper material made of Cu or Cu alloy,
Si 또는 Al의 질화물로 이루어지고,It is made of nitride of Si or Al,
상기 구리재와의 접합 예정면에, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 납재로 이루어지는 층이 형성되어 있는 On the surface to be joined to the copper material, 65 to 95 at% of Cu, 4.5 to 33 at% of Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, A layer formed of a brazing material containing at least one active metal element selected from the group consisting of Sm, Yb, Nd, Gd, and Er in a total ratio of 0.1 to 7 at%.
납재 구비 세라믹스재가 제공된다.A ceramic material with brazing material is provided.
본 개시의 또 다른 양태에 의하면,According to another aspect of the present disclosure,
Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 구리재와, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재를 납재를 개재하여 적층시키도록 배치하는 공정과,A process of arranging a copper material made of Cu or a Cu alloy and a ceramic material made of a nitride of Si or Al to be laminated with a brazing material interposed therebetween;
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 적층체를, 적층 방향으로 가압하면서, 가열하여 유지하는 공정을 갖고,A step of heating and holding the laminate of the copper material and the ceramic material while pressing in the stacking direction,
상기 납재로서, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 재료를 사용하는As the brazing material, 65 to 95 at% Cu, 4.5 to 33 at% Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Using a material containing at least one active metal element selected from the group consisting of Gd and Er in a total ratio of 0.1 to 7 at%
구리 세라믹스 접합체의 제조 방법이 제공된다.A method for manufacturing a copper ceramic joint is provided.
100: 구리 세라믹스 접합체
100': 적층체
10: 구리재
10s: 접합면
20: 세라믹스재
20s: 접합면
30: 접합층
31: 제1 층
31A: 고용상
31B: 화합물상
32: 제2 층
33L: 보이드(원 상당 직경 8㎛ 이상)
33S: 보이드(원 상당 직경 8㎛ 미만)
50: 납재
D: 계면 근방 영역
X: 질화물 결정100: Copper ceramic joint
100': Laminate
10: Copper material
10s: joint surface
20: Ceramic material
20s: joint surface
30: bonding layer
31: first layer
31A: Employment awards
31B: Compound phase
32: second layer
33L: Void (equivalent circle diameter 8㎛ or more)
33S: Void (equivalent circle diameter less than 8㎛)
50: brazing material
D: Area near the interface
X: Nitride crystal
Claims (13)
상기 구리재에 접합되며, Si 또는 Al의 질화물로 이루어지는 세라믹스재와,
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 접합면에 형성되며, Cu와 Mg를 포함하고, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 더 포함하는 접합층을 갖고,
상기 접합층의 전단 강도가 10㎫ 이상인, 구리 세라믹스 접합체.A copper material made of Cu or Cu alloy,
A ceramic material bonded to the copper material and made of Si or Al nitride,
It is formed on the joint surface of the copper material and the ceramic material, and includes Cu and Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, It has a bonding layer further containing at least one active metal element selected from the group consisting of Nd, Gd, and Er,
A copper ceramic bonded body wherein the bonding layer has a shear strength of 10 MPa or more.
상기 접합층의 인장 강도가 17.3㎫ 이상인, 구리 세라믹스 접합체.According to paragraph 1,
A copper ceramic bonded body wherein the tensile strength of the bonding layer is 17.3 MPa or more.
상기 접합층이,
상기 구리재와의 계면을 구성하고, Cu에 Mg가 고용되어 이루어지는 고용상을 포함하는 제1 층과,
상기 세라믹스재와의 계면을 구성하고, 상기 활성 금속 원소의 질화물을 포함하는 제2 층을 갖고,
상기 제1 층이, Cu와 Mg의 금속간 화합물을 포함하는 화합물상을 더 포함하고,
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 상기 제2 층과의 계면에 인접하는 계면 근방 영역에 있어서, 상기 고용상의 합계 단면적 SA, 상기 화합물상의 합계 단면적 SB가,
SA/(SA+SB)>0.6의 관계식을 충족하는, 구리 세라믹스 접합체.According to claim 1 or 2,
The bonding layer is
A first layer that constitutes an interface with the copper material and includes a solid solution phase formed by Mg being dissolved in Cu;
It has a second layer that constitutes an interface with the ceramic material and contains a nitride of the active metal element,
The first layer further includes a compound phase containing an intermetallic compound of Cu and Mg,
When the first layer is observed in a cross section perpendicular to the joint surface, in the area near the interface adjacent to the interface with the second layer, the total cross-sectional area SA of the solid solution phase and the total cross-sectional area SB of the compound phase are,
A copper ceramic joint that satisfies the relationship SA/(SA+SB)>0.6.
상기 제1 층이, 상기 제2 층과 상기 구리재를 연결하는 상기 고용상으로 이루어지는 패스를 갖는, 구리 세라믹스 접합체.According to paragraph 3,
A copper ceramic joined body in which the first layer has a path made of the solid solution phase connecting the second layer and the copper material.
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 8㎛ 이상의 크기인 보이드가 관찰되지 않는, 구리 세라믹스 접합체.According to paragraph 3,
A copper ceramic bonded body in which, when the first layer is observed in a cross section perpendicular to the bonding surface, no voids having an equivalent circle diameter of 8 μm or more are observed within an arbitrary field of view of 10000 μm 2 .
상기 접합면에 수직인 단면에서 상기 제1 층을 관찰하였을 때, 10000㎛2의 임의의 시야 내에 있어서, 원 상당 직경이 2㎛ 초과 8㎛ 미만의 크기인 보이드의 수가 10개 이하인, 구리 세라믹스 접합체.According to clause 5,
When the first layer is observed in a cross section perpendicular to the bonding surface, the number of voids with an equivalent circle diameter of more than 2 μm and less than 8 μm in an arbitrary field of view of 10000 μm 2 is 10 or less. .
상기 제2 층이, 조성식 MgSiN2로 표시되는 질화물 결정 X를 포함하고 있는, 구리 세라믹스 접합체.According to paragraph 3,
A copper ceramic bonded body in which the second layer contains nitride crystals X represented by the composition formula MgSiN 2 .
상기 질화물 결정 X가, 상기 제2 층 중, 상기 세라믹스재와의 계면 근방에 편재되어 있는, 구리 세라믹스 접합체.In clause 7,
A copper-ceramic bonded body in which the nitride crystal X is localized in the second layer near an interface with the ceramic material.
상기 제2 층이, 조성식 Mg3N2로 표시되는 질화물 결정 Y를 실질적으로 포함하지 않는, 구리 세라믹스 접합체.According to paragraph 3,
A copper ceramic bonded body wherein the second layer does not substantially contain nitride crystal Y represented by the composition formula Mg 3 N 2 .
Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는, 납재.It is used for joining a copper material made of Cu or Cu alloy and a ceramic material made of nitride of Si or Al,
Cu at 65 to 95 at%, Mg at 4.5 to 33 at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er. A brazing material containing at least one active metal element selected from the group consisting of a total of 0.1 to 7 at%.
Mg를, Cu와의 금속간 화합물의 양태로 포함하는, 납재.According to clause 10,
A brazing material containing Mg in the form of an intermetallic compound with Cu.
Cu를, Cu 단체와, Mg와의 금속간 화합물의 양태로 포함하는, 납재.According to claim 10 or 11,
A brazing material containing Cu in the form of Cu alone and an intermetallic compound with Mg.
상기 구리재와 상기 세라믹스재의 적층체를, 적층 방향으로 가압하면서, 가열하여 유지하는 공정을 갖고,
상기 납재로서, Cu를 65 내지 95at%, Mg를 4.5 내지 33at%, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, Gd, Er로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성 금속 원소를 합계로 0.1 내지 7at%의 비율로 포함하는 재료를 사용하는, 구리 세라믹스 접합체의 제조 방법.A process of arranging a copper material made of Cu or a Cu alloy and a ceramic material made of a nitride of Si or Al to be laminated with a brazing material interposed therebetween;
A step of heating and holding the laminate of the copper material and the ceramic material while pressing in the stacking direction,
As the brazing material, 65 to 95 at% Cu, 4.5 to 33 at% Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ca, Y, Ce, La, Sm, Yb, Nd, A method of producing a copper ceramic bonded body using a material containing at least one active metal element selected from the group consisting of Gd and Er in a total ratio of 0.1 to 7 at%.
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